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虚拟现实技术在中学化学实验教学领域的设计与应用论文

发布时间:2019-11-25 13:37:53 文章来源:SCI论文网 我要评论














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摘要:虚拟现实技术是当今社会科学技术发展的成果,将其应用在中学化学实验教学中能够对传统教学模式进行改革创新。本文首先通过介绍虚拟现实技术和对其应用在中学化学实验教学领域的必要性和优势进行了简短分析,随后具体探究了虚拟现实技术在中学化学实验教学领域的设计和应用方面,用一个具体案例进行效果探究,最后对虚拟现实技术在中学化学实验教学领域的发展策略和方向进行了展望。

关键词:虚拟现实技术;中学教学;化学实验;教学设计

本文引用格式:向文心.虚拟现实技术在中学化学实验教学领域的设计与应用[J].教育现代化,2019,6(7):128-130

         化学是中学教学内容中的一门以研究物质化学性质为主的自然学科,开设时间较晚,一般为初三才开设,学生基础较薄弱,对许多化学物质没有透彻的认识。对化学物质化学性质的认识,只能通过书本理论和进行化学实验,现有的化学实验教学氛围比较传统,不能满足新型应用型人才培养体系的要求,培养学生动手能力增强创新能力和提升学生的科学素养是化学实验教学模式发展方向。虚拟现实技术能够利用计算机对化学实验进行模拟,让学生能够对实验有初步的切身体会,培养学生学习兴趣,是中学化学实验改革的必然发展趋势[1]。

一 虚拟现实技术和化学实验

        1989年,美国学者佳加隆雷尼尔提出虚拟现实这一名词。该技术通过计算机的多媒体信息处理这一功能,模拟现实的三维空间,形成虚拟世界,由虚拟世界来描述真实世界物质和事物的变化过程。随着信息技术的飞速发展,新时代的学生有多种多样的学习方式,他们不再满足于课题上的学习,多数学生会自主选择更多的时间来学习,虚拟现实技术的出现为学生的自主学习创造了更多的机会。学生通过虚拟技术可以在短期内获得反馈,这在化学实验中是极为重要的。这是因为一些化学知识是很难甚至无法观测到的,例如化学平衡状态下反应物和生成物分别处于何种状态等,还有一些化学实验的过程很危险,例如钠与水的反应等,化学实验的这一特点,使得虚拟现实技术的加入变得更有实际意义。而两者之间的具体结合使得呈现出最佳效果是高校研究的重点[2]。

二虚拟现实技术应用于化学实验的必要性和优势

(一)必要性


        将虚拟现实技术应用到中学化学实验是课程改革的要求,在中国现行的《化学考试大纲说明》中,就写了要求学生通过化学学习和化学实验掌握分析问题的过程和成果,然后能够用准确的术语进行文字、模型和图表的分析和处理的能力。其中尤其强调了模型和模型方法这种科学思维方式和认识手段,能够帮助学生理解一些抽象的化学概念或者分析一些化学现象,除此之外,通过模型法还能够描述一些化学事实和对一些实验进行科学预测,在学生的学习过程中尤为重要。

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         其次,将虚拟现实技术应用于中学化学实验是信息化教学发展的要求。随着国家信息化水平的不断提升,信息技术已经普遍运用于各个领域行业其中就包括教育领域,因为传统的教育模式已经满足不了新时期对教学效果的要求和期望,只有将新的信息技术应用到教学中才能适应学生的时代感和提高教学效率。并且随着学校规模的扩大导致了学生数量的大幅增加,传统的实验器材已经不能够满足激增的学生数量,实验器材的缺失必然会影响学生学习化学的兴趣和效率。因此,虚拟现实技术应用于化学实验是时代发展的趋势。

(二)优势

(1)具有可重复性,提高实验效率[3]


        利用虚拟现实技术学生可以通过计算机对化学实验进行操作,熟悉实验基本步骤和注意事项,为后期进行实践时间时打下基础和避免一些操作失误,从而延长实验器材的使用寿命。在具体实施虚拟现实技术在化学实验中的步骤时,可以利用计算机程序对学生的模拟实验的步骤和过程进行考核,当学生对实验的掌握达到一定程度时,才让学生对实验做到心中有数,通过模拟实验也能引发学生对实验的思考,结合模拟和具体实验能够过化学实验有更深的了解和认识。

(2)增强实验操作体验,节约资源

        化学实验是一个过程体验感极高的过程,通过每个步骤都能发生肉眼可见的化学变化和现象,微弱的操作变化都能够影响最终的化学现象,但是如果想要看到这些微弱的变化和差别,用真实的实验仪器做是及其浪费的,而且付出的成本和回报是不成正比的。但是通过模拟现实技术,这个过程能够在计算机上被实现,不受到实验室时间、空间和物品数量上的限制,并且能够进行多次实验,如果学生一次不能感受到化学变化的过程,在现实实验中老师也是不会为了个别学生再重复进行一个实验的,但是使用计算机模拟实验就可以重复进行许多次。

          同时,虚拟实验可以让学生能够直观的了解实验器材的组建和现象,当实验过程发生变化或者由于学生对实验学习掌握的不全面导致某些实验步骤没有正确进行,那么在现实实验中是极有可能造成实验失误导致学生有现实危险的,但是在计算机上进行模拟操作就可以避免这些实验风险,同时以其方式提醒学生注意实验安全。虚拟现实技术进行的化学实验不仅可以培养和增强学生的学习兴趣,还能有效的提高学生对实验的学习效果[4]。

三 虚拟现实技术在高中化学实验的应用方法

(一)混合学习理论和虚拟实验


         混合学习理论与虚拟实验的教学模式就是结合传统实验教学方式和利用虚拟现实技术进行实验教学的混合教学方法。既能充分发挥老师在教学过程中对学生的引导作用,又能体现学生在学习过程中的主导地位,同时发挥计算机虚拟现实技术在教学过程中的最大效果。具体应用措施有三种,第一种是结合或混合多样化网络技术,例如为学生搭建实时虚拟教室、对不同学生进行自定步调学习、通过网络资源上的视频和图片文档等进行教学、组织学生进行协作学习等;第二种是利用虚拟现实技术结合多种教学理论,学习国内外多种教学理论如建构主义、行为主义和认知主义,在结合计算机教学达到最佳教学效果。第三种是对教师进行特定的理论培训和能力培训,培养教师的新媒体技术运用手段,和利用新媒体技术进行教学,这样在老师的引导下学生也较快熟练掌握虚拟现实实验能力。

(二)信息处理模型与虚拟实验
 
        利用信息处理模型分析问题是进行科学探究过程中有助于理解学习的手段,通过在学生的长期记忆经验中提取出相关的辅助点来进行辅助理解和学习从而提高理解和记忆能力。在化学实验教学过程中,老师对实验的讲解经常会有一些跳跃性,因为实验大部分是口头教学和不可逆转不可重复的实验,所以学生一旦错过知识要点就会造成知识模糊并且影响下一阶段的学习。所以用模拟现实技术引进化学实验模型建立,并利用建立的模型进行化学实验和探究,能够提升学生对实验的理解和记忆。

(三)能力评价体系与虚拟实验

        我们需要注意到,虽然虚拟实验能够让每个学生都有均等的做实验的机会和体验,但是对学生的动手能力的培养是不够的,所以在对学生的能力考核系统中,既要注重学生的利用虚拟现实技术进行学习的能力考核,也要注重学生实践能力的培养。在对学生进行的能力评价体系中,我们需要考虑要虚拟实验这种教学模式的考核办法,既不能减少学生利用虚拟现实技术学习的积极性和热情,又要在这种教学模式下培养学生的动手和思维发散的创新能力。

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四 虚拟现实技术在中学化学实验的设计应用案例

         以一个具体案例来说,在长春十一高中的化学教学中,选取两个班级,一个班级采用传统教学方式学习《碱式碳酸铜加热分解》实验,老师在课堂上运用真实实验器材进行讲授,学生通过观看实验现象学习碱式碳酸铜加热分解过程;另一个班级采用结合虚拟现实技术学习化学实验的教学模式,在课上同学们在机房电脑上模拟实验过程,在虚拟现实操作系统中虚拟实验台与真实实验台一样,可供学生自己动手配置、连接、调节和使用实验仪器设备;学生在线与老师交流学习;教师利用虚拟器材库中的器材自由搭建任意合理的典型实验,使学生亲身感受和体验实验的完整过程,同时避免在实验过程中受到不必要的伤害。实验结束后,对参与对比的两个班级同学进行现场教学效果考核,通过试卷的方式检验知识点的学习情况。考核结果显示,运用虚拟现实技术进行学习的班级明显比传统教学的班级对实验原理及相关器材使用的掌握情况好。

五 虚拟现实技术在高中化学实验的发展策略

(一)虚拟实验和传统实验有机结合


         虚拟和传统化学实验两者各有优势,它们不是对立的关系,传统实验不能完全被虚拟化学实验所取代,同时也不能只做传统的化学实验,应该将两者有机结合,相互补充,达到一加一大于二的效果。例如,有些设计类综合实验比较复杂,我们可以首先通过虚拟实验模拟验证实验是否可行,可行后在通过传统实验进一步深入展开,这既节约了时间和成本,又提高了实验的效率。

(二)虚拟化学实验的自我完善

          虚拟实验的真实性较差,这是它存在的最大问题,针对这一问题,我们的主要目标是在实验过程中尽可能的提高其真实性,将网络虚拟现实实验室技术和沉浸虚拟实验室技术相结合,可以加强实验者和虚拟仿真环境的接触,使实验者仿佛亲身体验一样。硬件上,通过使用更高性能的处理器,更高分辨率的显示器,更大容量的硬盘,实验环境更加逼真,仿真界面更加智能化。

(三)多元化的实验技能测评

         采用传统测评方式和虚拟实验系统相结合的多元化测评方式测试学生的实验技能。实验报告法、纸笔测试法等传统测评方式无法观测考察学生实验的整个过程,而结合录制回放技术,可以分析检查学生操作的每步步骤,指出错误操作,这样可以使学生及时改正不规范甚至错误的做法,达到学生操作的每个实验都有所收获和提高。进一步来说,这种测评方式也禁止了学生抄袭实验数据的现象,增加了对实验过程的重视。

(四)虚拟化学实验教学资源共享

         当前虚拟化学实验的发展还不完善,在绝大部分院校中的规模较小,只是一种辅助教学的存在形式,在软件开发和教学资源方面,虚拟化学实验有很大的局限性。因此,将多个院校的教育资源进行整合,建设高校间的协作研究虚拟实验室,可以节约资源,促进虚拟实验系统的快速发展[5]。

六结语

        将虚拟现实技术运用到中学化学实验中是时代发展教学改革的必然趋势,随着科学技术的进一步发展[6-8],我们能够将虚拟技术进行进一步优化,从而在化学实验的教学模式改革中最大化科学技术带来的优势,充分发挥新技术在教育领域的作用,促进中学化学实验和课程的推动,提高学生对化学学习和化学实验的兴趣和学习效果,为祖国的未来培养更多创新型应用型人才。

参考文献

[1]茹婷婷.虚拟实验在地方高校化学实验教学中的应用[J].吉林广播电视大学学报,2017(06):21-22.
[2]李莲英.虚拟技术在实验教学中的应用[J].无线互联科技,2018,15(17):22-23.
[3]张春梅.虚拟现实技术在化学实验教学中的应用[J].经济师,2018(08):198-199.
[4]吴雅青.基于虚拟实验的高中生化学建模能力研究[D].上海师范大学,2018.
[5]茹婷婷,石莹岩,初学峰.基于高校虚拟化学实验研究若干问题的建议[J].高教学刊,2016(12):54-55.
[6]张雪.虚拟现实技术在化学实验教学中的应用探究[J].科技风,2017(13):28.
[7]纪元元.基于虚拟现实技术的数字动画短片创作研究[J].教育现代化,2018,5(17):144-145+148.
[8]王进华,张勤利.虚拟现实技术在美术素描教学中的应用研究[J].教育现代化,2015(08):60-63.


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